Лаборатория эфемеридной астрономии (ЛЭА)


Заведующий лабораторией
Питьева Елена Владимировна
доктор физико-математических наук


evp@ipa.nw.ru

Основные задачи лаборатории эфемеридной астрономии (ЛЭА)

  • построение высокоточных теорий движения Солнца, Луны, планет и их естественных спутников,
  • эфемеридное сопровождение наблюдательных программ ИСЗ, КА, ПА,
  • поддержание и развитие соответствующего программного обеспечения.

Тематика исследований лаборатории.

  • Уточнение динамических моделей и построение высокоточных теорий движения Солнца, Луны, планет (EPM) и их естественных спутников (совместно с ЛАЕ), уточнение параметров этих теорий и астрономических постоянных из радиотехнических, лазерных и оптических позиционных наблюдений планет, Луны, естественных и искусственных спутников больших планет. Среди улучшаемых параметров, в частности, массы естесвенных спутников и астероидов, параметры вращения планет и Луны, динамическое сжатие Солнца и планет, релятивистские параметры PPN-формализма, вековые изменения гравитационной постоянной и гелиоцентрической гравитационной постоянной, ограничения на присутствие темной материи в Солнечной системе и т.д.
  • Анализ потенциального вклада российского проекта лунного лазерного дальномера в повышение точности эфемерид Луны.
  • Эфемеридное сопровождение наблюдательных программ ИСЗ, КА, ПА на радиотелескопах ИПА РАН. Анализ и обработка полученных измерений с целью уточнения орбит наблюдаемых объектов.
  • Развитие программного обеспечения для решения задач эфемеридной и динамической астрономии на базе проблемно-ориентированного языка SLON и универсального программного комплекса ЭРА, сопровождение Windows-версии ЭРА-7 и развитие кросс-платформенной версии системы ЭРА-8

Лаборатория активно сотрудничает с рядом зарубежных организаций: комиссиями МАС 4, 7, 8, 15, 16, 19, 20, JPL (Лаборатория реактивного движения, США), IMCCE (Институт механики и вычисления эфемерид, Франция), с кафедрой небесной механики Санкт-Петербургского Университета и участвует в проекте ILRS (International Laser Ranging Service).

Основные результаты работы лаборатории.

  1. Построены (совместно с ЛАЕ) наиболее полные отечественные численные теории движения основных 22 спутников Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Параметры теорий уточнены по 70000 астрометрическим наблюдениям разного типа. В динамических моделях систем спутников учитывались их взаимные возмущения, возмущения от Солнца, планет и потенциалов центральных планет, а также приливные возмущения от Марса на его спутники.

  2. Построена полуаналитическая теория орбитального движения Луны и определены основные члены в теории вращения Земли, включая прецессию и нутацию в тригонометрической форме методом общей планетной теории (GPT), без фиктивных вековых и смешенных членов относительно времени. Этот метод основывается на разделении быстрых и медленных угловых переменных как в уравнениях движении больших планет и Луны, так и в уравнениях вращения Земли. При этом объединенная система уравнений движения больших планет и Луны и уравнений вращения Земли сводится с помощью ряда нормализующих преобразований переменных к автономной вековой системе, решение которой можно получить в тригонометрической форме. Метод основывается на идее введения промежуточной квазипериодической орбиты, обобщающей вариационную кривую Хилла в теории движения Луны, на разделении коротко и долгопериодических переменных и на применении нормализующего преобразования Биркгофа для приведения динамической системы уравнений к интегрируемому виду. Построена вековая система с правыми частями, представленными в аналитическом виде, и получено решение вековой системы в полуаналитической форме.

  3. Построена серия высокоточных численных эфемерид планет и Луны EPM (EPM2004, EPM2008, EPM2011, EPM2013) совместным интегрированием уравнений движения планет, Луны, Солнца, крупнейших астероидов и транснептуновых объектов (ТНО), физической либрации Луны, с учетом возмущений от сжатия Солнца и колец малых астероидов и ТНО. Обновлены динамические модели орбитально-вращательного движения Луны (запаздывающий аргумент в приливных эффектах, потенциал Земли, взаимодействие фигуры Луны с точечными массами Юпитера и Венеры) и планет (двухмерная модель кольца малых астероидов и одномерная - кольца ТНО) и набора постоянных. Использовано более точное, и без ограничений числа тел интегрирование, а также расширенная база данных, включающая 18700 лазерных наблюдений Луны (1970 – 2013 гг.) и более 800000 радарных и оптических планетных наблюдений разных типов (1913 – 2013 гг.), в том числе российские наблюдения Меркурия, Венеры, Марса 1961 – 1995 гг. Российские радарные наблюдения планет (1962 – 1995 гг,) доступны на сайте.

На основе эфемерид ЕРМ были получены следующие результаты:

  1. определены массы 21 крупнейшего астероида; получены оценки общей массsы астероидов главного пояса
    Mbelt = (12.2±0.2)×10-10MSun и общей массы всех ТНО
    MTNO=592×10-10MSun;
  2. по РСДБ наблюдениям КА около планет определены углы поворота между эфемеридами EPM2011 и системой ICRF: εx=-0.00±0.04 mas, εy=0.01±0.04 mas, ε z=0.00±0.03 mas;
  3. определены значения релятивистских ППН параметров: β=0.99998±0.00003 и γ=1.00004±0.00006;
  4. впервые было получено значение изменения гелиоцентрической гравитационной постоянной: GMSun = (-6.3±4.3)×10-14 в год (3σ). Из полученного изменения GMSun и с учетом максимальных пределов возможного изменения массы Солнца MSun найдены более жесткие ограничения на изменение гравитационной постоянной: с вероятностью 95% годовое значение попадает в интервал -7.0×10-14 /G < +7.8×10-14 .
  5. найдены ограничения на наличие темной материи в Солнечной системе: на расстоянии орбиты Сатурна плотность ρdm ниже, чем 1.1×10-20 г/см3. Масса темной материи в сфере внутри орбиты Сатурна, даже с учетом ее возможной концентрации, должна быть меньше, чем 7.9×10-11 MSun.
  6. Анализ последних версий лунных эфемерид DE, INPOP и EPM-ERA показывает, что разница в геоцентрических координатах Луны не превышает 10-15 метров, что приводит к различию в положении КА ГЛОНАСС, не превышающей 1 мм на длительных интервалах времени.

Эфемериды планет и Луны EPM (ЕРМ2004, ЕРМ2008, ЕРМ2011, ЕРМ2011/m) вместе с соответствующими разностями TT – TDB, а также эфемериды семи дополнительных объектов, условно названных планетами-карликами: Ceres, Pallas, Vesta, Eris, Haumea, Makemake, Sedna, доступны для внешних пользователей по адресу: ftp://quasar.ipa.nw.ru/incoming/EPM/

Для версии ЕРМ2011/m открыт доступ к лунной либрации на том же интервале, что и вся эфемерида ЕРМ2011/m (1787–2214 гг.). Чебышевские разложения для доступа к положениям (координаты и скорости) объектов представлены в бинарном, текстовом формате, а также в унифицированном SPK/PCK формате, выбранным международной рабочей группой «Working Group on Standardizing Access to Ephemerides and File Format Specification» для доступа к эфемеридам JPL (США), IMCCE (Франция) и ИПА РАН.


    IV. Создана новая восьмая версия программного комплекса ЭРА-8, в течение десятилетий использующегося в ИПА РАН для решения задач эфемеридной астрономии, на программной платформе Racket с использованием языков Racket и C. В частности, обновлены (с сохранением совместимости) средства обработки наблюдений, численного интегрирования, уточнения параметров моделей, работы с таблицами, построения графиков. Разработанной системе присущи: переносимость (Windows/Linux, 32/64 бит), улучшенные средства отладки и диагностики, документированный программный код. Модернизация позволила получить новые научные результаты: уточнение орбиты Плутона по ряду ранее не использовавшихся оптических наблюдений 1930-2013 гг., уточнение орбиты Сатурна по наблюдениям КА Cassini 2004-2014 гг., численное интегрирование разности шкал времени TT - TDB совместно с телами Солнечной системы. Версия ЭРА-8 используется при подготовке эфемеридных изданий ИПА РАН, начиная с издания 2016 г., а также для подготовки эфемерид КА ГЛОНАСС, в рамках ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 гг».

    V. Разработана демонстрационная версия сайта для расчёта эфемерид планет и спутников через браузер. Сайт доступен по адресу http://ephemeris.ipa.nw.ru Демонстрационная версия сайта предоставляет возможность расчёта эфемерид планет и их естественных спутников. Имеется возможность выбора различных планетных эфемерид семейств EPM, DE, INPOP; для эфемерид спутников доступен выбор между аналитическими теориями или численными, разработанными в ИПА. Предоставляется широкий набор опций для вывода результатов в различном представлении: α и δ в различных форматах, или декартовы координаты в различных единицах измерения; настраиваемые параметры форматирования и т.д. Ссылки на соответствующие публикации даны в заголовках табличных эфемерид, генерируемых на сайте.

Наиболее значимые публикации ЛЭА

    1. Krasinsky G.A., Novikov F.A., Scripnichenko V. I. 1987. «Oriented language for ephemeris astronomy and its realization in the system ERA»// Celest. Mech., 45, 219-229.
    2. Krasinsky G. A., Pitjeva E.V., Sveshnikov M.L., Chunajeva L.I., 1993. «The motion of major planets from observations 1769-1988 and some astronomical constants".// Celest. Mech., 55, 1-23.
    3. Krasinsky G.A., Vasilyev M.V., 1997. «ERA: knowledge base for ephemeris and dynamic astronomy" // IAU Coll. N 165 / Dynamics and Astrometry of Natural and Artificial Celestial Bodies (eds. I.M. Wytrzyszczak, J.H.Lieske, R.A.Feldman), Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 239-244.
    4. Krasinsky G. A., 1999 «Tidal effects in the Earth Moon system and the Earth's rotation" // Cel. Mech. Dynam, Astron., v.75, No 1, 39-66.
    5. Krasinsky G.A., Pitjeva E.V., Vasilyev M. V., Yagudina E.I., 2002 «Hidden mass in the asteroid belt» // Icarus, 158, 98-105.
    6. Питьева Е. В., 2005 «Релятивистские эффекты и сжатие Солнца из радарных наблюдений планет и космических аппаратов». // Письма в Астрон. Журн., том 31, 5, 378-387. (Pitjeva E. V., 2005 «Relativistic effects and solar oblateness from radar observations of planets and spacecraft». // Astronomy Letters, 31, 5, 340-349, DOI: 10.1134/1.1922533.)
    7. Питьева Е. В., 2005 «Высокоточные эфемериды планет - EPM и определение некоторых астрономических постоянных» // Астрон. вестн., том 39, 3, 202-213. (Pitjeva E.V., 2005. «High-precision ephemerides of planets - EPM and determinations of some astronomical constants». // Solar System Research, 39, 3, 176-186, DOI: 10.1007/s11208-005-0033-2.)
    8. Krasinsky G. A., 2006 «Numerical theory of rotation of the deformable Earth with the two-layer fluid core. Part 1: Mathematical model» // Cel. Mech. Dynam, Astron., v.96, No 1, 169-217, DOI: 10.1007/s10569-006-9038-5.
    9. Krasinsky G. A., Vasilyev M.V., 2006 «Numerical theory of rotation of the deformable Earth with the two-layer fluid core. Part 2: Fitting to VLBI data» // Cel. Mech. Dynam, Astron., v.96, No 1, 219-237, DOI: 10.1007/s10569-006-9033-x.
    10. Pitjeva E.V., Standish E.M., 2009. «Proposals for the masses of the three largest asteroids, the Moon-Earth mass ratio and the Astronomical Unit». // Celest. Mech. Dynam. Astr., 103, 4, p. 365-372, DOI: 10.1007/s10569-009-9203-8.
    11. Pitjeva E.V., 2010 «EPM ephemerides and relativity.» // Proc. IAU Symp. No. 261 / Relativity in fundamental astronomy: dynamics, reference frame, and data analysis // S.Klioner, P.K. Seidelmann, M.Soffel (eds.), Cambridge University Press, 170-178, DOI: 10.1017/S1743921309990342.
    12. Brumberg V. A., Ivanova T. V., 2011 «On constructing the general Earth's rotation theory» // Celest. Mech. Dyn. Astr., 109, 4, 385-408.
    13. Luzum B., Capitaine N., Fienga A., Folkner W, Fukushima T., Hilton J., Hohenkerk C., Krasinsky G., Petit G, Pitjeva E, Soffel M, Wallace P, 2011. «The IAU 2009 system of astronomical constants: the report of the IAU working group on numerical standards for Fundamental Astronomy». // Celest. Mech. Dyn. Astr., 110, 4, 293-304, DOI: 10.1007/s10569-011-9352-4.
    14. Питьева Е.В., Питьев Н.П., 2012.»Оценки изменений массы Солнца и гравитационной постоянной по современным наблюдениям планет и космических аппаратов».// Астрон. вестн., 46, 1, 81-90. (Pitjeva E.V., Pitjev N.P., 2012. «Changes in the Sun's mass and gravitational constant estimated using modern observations of planets and spacecraft». // Solar System Research, 46, 1, 78-87, DOI: 10.1134/S0038094612010054.)
    15. Poroshina A., Kosmodamianskiy G., Zamarashkina M., 2012, «Construction of the numerical motion theories for the main satellites of Mars, Jupiter, Saturn and Uranus in IAA RAS» // Труды ИПА РАН. СПб.: Наука, 26. 75-87.
    16. Питьев Н.П., Питьева Е.В., 2013. «Ограничения на темную материю в Солнечной системе.» // Письма в Астрон. Журн., 39, 3, 163-172. (Pitjev N.P., Pitjeva E.V., 2013. «Constraints on dark matter in the solar system.» // Astronomy Letters, 39, 3, 141-149, DOI: 10.1134/S1063773713020060.)
    17. Брумберг В. А. , 2013 «Небесная механика: прошлое, настоящее, будущее» // Астрон. вестник, 47, 5, 376-389. (Brumberg V.A. 2013 «Celestial mechanics: past, present, future» // Solar System Research, 47, 5, 347-358, DOI: 10.1134/S0038094613040011.)
    18. Иванова Т. В., 2013 «Построение вековой системы в аналитической теории Луны» // Астрон. вестн., 47, 5?, 390-394. (Ivanova T.V., 2013 «Generation of a secular system in the analytical theory for the motion of the moon» // Solar System Research, 47, 5, 359-362, DOI: 10.1134/S0038094613040023.)
    19. Pitjeva E. V., Pitjev N. P., 2013. «Relativistic effects and dark matter in the Solar system from observations of planets and spacecraft». // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 432, 4, 3431-3437, DOI: 10.1093/mnras/stt695.
    20. Питьева Е.В., 2013. «EPM2011 - обновленные планетные эфемериды ИПА РАН и их использование для научных исследований.» Астрон. Вестник, 47, 53, 419-435. (Pitjeva E.V., 2013. «Updated IAA RAS planetary ephemerides - EPM2011 and their use in scientific research»// Solar System Research, 47, 5, 386-402, DOI: 10.1134/S0038094613040059.)
    21. Васильев М.В., Ягудина Э.И., 2014 «Российская эфемерида Луны EPM-ERA 2012» // Астрон. Вестник, 48, 2, 169-176. (Vasilyev M.V., Yagudina E.I. «Russian lunar ephemeris EPM-ERA 2012» // Solar System Research, 48, 2, 158-165, DOI: 10.1134/S0038094614020075.)
    22. Порошина А. Л., 2013. Численные теории движения Тритона и Нереиды. // Письма в Астрон. Журнал, 2013. Т. 39. ? 12. - С. 969-974 (Poroshina, A. L., 2013 "Numerical theories of motion of Triton and Nereid" // Astronomy Letters, 39, 876-881, DOI: 10.1134/S1063773713110066).
    23. Павлов Д.А., Скрипниченко В.И., 2014 «Первые результаты опытной эксплуатации кроссплатформенной версии системы ЭРА» // Труды ИПА РАН. СПб.: Наука, 30. 32-40.
    24. Pitjeva E. V., Pitjev N. P., 2014. «Development of planetary ephemerides EPM and their applications» // Celest. Mech. & Dyn. Astr., 119, 237-256, DOI 10.1007/s10569-014-9569-0.